CN110352361A

CN110352361A - 用人眼安全图案扫描和测距的设备及方法

Info

Publication number: CN110352361A
Application number: CN201780087698.7A
Authority: CN
Inventors: 多米尼克·约翰·古德威尔
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2019-10-18
Also published as: WO2018176115A1; EP3586161A4; EP3586161A1; US20190391271A1; US11828829B2

Abstract

一种光学设备包括光源和转向装置，该光源用于发射由一系列脉冲束组成的光；该转向装置光学地耦合至光源并且用于根据预定扫描图案对光源发射的脉冲束进行转向，使得光源在由转向装置引导至人眼安全规程定义的孔内的第一脉冲束和由转向装置引导至同一孔内的后续的第二脉冲束之间发射至少一个中间脉冲束，每个中间脉冲束由转向装置引导至该孔外。

Description

用人眼安全图案扫描和测距的设备及方法

技术领域

本发明属于光学传感领域，尤其涉及用人眼安全图案扫描和测距的设备及方法。

背景技术

光探测和测距(light detection and ranging，LIDAR)系统是本领域已知的，并且已被认为是用于诸如机器人学、自动驾驶车辆、以及所谓的无人驾驶车或自驾车的各种应用的机器视觉系统的有用技术。一般而言，LIDAR系统包括用于向LIDAR的定义视场发射光脉冲的发射机，以及用于探测从定义视场内的物体反射的光的接收机。然后，处理器可以分析由接收机探测到的反射光，以推断这些物体的存在和位置。在一些情况下，脉冲(或“脉冲束(shot)”)可以由多个子脉冲组成。

该发射机用于在可以被转向以使整个视场在预定扫描周期内都能被扫描到的窄光束中发射光脉冲(或光“脉冲束”)。当脉冲(或脉冲束)照亮LIDAR系统的视场内的物体时，一些光被散射回LIDAR系统，并且可以由接收机探测到。脉冲的发射和相应散射光的探测之间的“飞行时间(timeofflight)”表示到光散射点的距离，而发射光束的方向(由转向装置确定)可以用于确定到光散射点的方向。可以处理与每个脉冲束相关的距离和方向信息，以导出表示已经探测到散射光的位置的“点云”。可以进一步处理该点云，以推断视场内的物体的大小、位置、和可能的其他特征。

期望最大化发射机发射的光脉冲的功率。然而，美国国家标准学会(Americannational standards institute，ANSI)标准Z136.1-2014中和国际电工委员会(international electrotechnical commission，IEC)标准60825-1中定义的人眼安全规程(eye safety regulation)将入射到定义孔的最大允许光功率限制为5us间隔内约200nJ。

提供此背景信息以揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。任何前述信息不必被承认或不应解释为构成对抗本发明的现有技术。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供用于增加由发射机发射的光的光功率的方法和装置，同时符合适合的人眼安全规程。

因此，本发明的一个方面提供了一种光学设备，包括：用于发射由一系列脉冲束(shot)组成的光的光源；以及光学地耦合至光源的转向装置，该转向装置用于根据预定扫描图案对光源发射的脉冲束进行转向，使得光源在由转向装置引导至人眼安全规程定义的孔内的第一脉冲束和由转向装置引导至同一孔内的后续的第二脉冲束之间发射至少一个中间脉冲束，每个中间脉冲束由转向装置引导至该孔外。

本发明的另一方面提供了一种控制光学设备的方法，该光学设备包括用于发射包括一系列脉冲束的光的光源，以及光学地耦合至光源的转向装置。该方法包括控制转向装置根据预定扫描图案对光源发射的脉冲束进行转向，使得光源在由转向装置引导至人眼安全规程定义的孔内的第一脉冲束和由转向装置引导至同一孔内的后续的第二脉冲束之间发射至少一个中间脉冲束，每个中间脉冲束由转向装置引导至该孔外。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他特征和优点变得显而易见，在附图中：

图1A至图1D示意性示出了光探测和测距(LIDAR)系统的元件和操作。图1A示意性示出了光探测和测距(LIDAR)系统的元件；图1B示出了由图1A的光源发射的光的示例波形；图1C示意性示出了光波导可调谐相控阵转向装置的示例；图1D示意性示出了具有可调谐激光器的光波导可调谐阵转向装置的示例；

图2示出了根据本发明示例实施例的线性扫描图案；

图3示出了根据本发明示例实施例的第二线性扫描图案；

图4示出了根据本发明示例实施例的二维扫描图案；

图5示意性示出了第二示例光探测和测距(LIDAR)系统的元件和操作；

图6示出了根据本发明示例实施例的第二二维扫描图案；

图7示意性示出了第三示例光探测和测距(LIDAR)系统的元件和操作；

图8示出了根据本发明示例实施例的第五扫描图案。

应注意，在所有附图中，相同的特征由相同的附图标记标识。

具体实施方式

图1A示意性示出了光探测和测距(light detection and ranging，LIDAR)系统100的元件。在图1A的示例中，LIDAR系统100包括用于发射光104的发射机102和用于探测反射光108的接收机106。提供一个或多个窗110以允许从发射机102发射的光104离开LIDAR系统100，并且允许反射光108进入LIDAR系统并照在接收机106上。在图1A的示例中，发射机102包括光源112、转向装置114、以及用于控制光源112和转向装置114的控制器116。

光源112优选地提供为用于以预定波长和光功率电平发射光104的激光器。光源112可以例如是用于发射波长为600-1000nm的光的红外(infra-red，IR)激光发射器。如图1B中可见，光104可以作为一系列“脉冲束(shot)”116发射。每个脉冲束可以包括多个光脉冲118。可以选择每个脉冲束116中的脉冲118的数量以及每个脉冲118的功率电平和持续时间(w)，以使接收机106能可靠地探测反射光108。在一些实施例中，每个脉冲束116可以包括10个脉冲118，而其他实施例可以在每个脉冲束116中使用多达20个或20个以上的脉冲118。可用于LIDAR系统的一种低成本激光器可以以0.2瓦的峰值功率电平发射持续时间(w)为5ns、脉冲能量为1nJ的激光脉冲。发射脉冲束的频率(1/T)可以在40kHz和500kHz之间变化，这主要取决于转向装置114的限制。

可以理解，为了增加LIDAR视场内的物体可以被探测到的测距，需要增加每个脉冲118的能量。然而，因为波长在600nm-1000nm范围内的光可以被眼睛聚焦和吸收，所以这种激光的最大输出受限于例如美国国家标准学会(American national standardsinstitute，ANSI)标准Z136.1-2014和国际电工委员会(international electrotechnicalcommission，IEC)标准60825-1定义的那些人眼安全规程(eyesafetyregulation)。尽管用略微不同的语言表达，但是这两个标准具有相似的技术规则。在本公开中，本发明的实施例将参照ANSIZ136.1-2014的术语来描述，但应理解，本发明也适用于IEC 60825-1以及这两种标准的继承物和对应物。例如，ANSI Z136.1-2014定义了最大允许曝光量(maximumpermissible exposure，MPE)和可达发射极限(accessible emission limit，AEL)。MPE是人在受到直接或长期伤害之前可以暴露到的最大光辐射水平。这种最大允许曝光量是从角膜和皮肤上可以允许的能量密度范围或每单位表面功率(强度)范围建立的。MPE是作为辐射波长、脉冲持续时间、暴露的组织(皮肤或眼睛)的暴露持续时间、以及视网膜上的影像的大小的函数计算的。MPE根据受伤风险定义了最大脉冲能量，而AEL是从由激光器发射并且可由距窗110指定距离的用户(由定义的孔120表示(图1A))接近的辐射波长、功率、以及能量导出的。这些定义因为表示人眼或诸如望远镜的观察仪器到窗的现实最接近点，因此被人眼安全规程使用。例如，使用ANSI Z136.1-2014的定义，孔120可以被定义为在距窗100mm处的直径为7mm的圆形区域。因此，根据每个激光器的特性，AEL能够根据相关的辐射危害对激光器进行分类。例如，波长为905nm的ANSI类1AEL定义为：在时间间隔(t)5ps<t≤5μs内，AEL＝200nJ；当5μs<t≤10s时，AEL＝(t^0.75*1.8)mJ，其中，t以秒为单位被定义。

转向装置114用于引导光104扫描LIDAR系统的选定视场。示例光束转向装置包括活动(例如，快速旋转)镜，或诸如硅基液晶(liquid crystal on silicon，LCoS)装置的空间光调制器(spatial light modulator，SLM)装置。在一个实施例中，可以使用具有可调谐激光器的光波导相控阵或光波导可调谐相控阵来对光束转向。图1C示意性示出了示例光波导可调谐相控阵转向装置。在图1C的示例中，该转向装置包括用于将从光源112发射的光划分为一组n条光路134的1：n光功分器132。每条路径134包括光移相器136和发射器138。发射器138可以采用任何适合的形式(例如，镜子、波导锥(waveguide taper)、或衍射光栅)，使得从其相应的移相器136进入发射器138的光在预定发射锥体(emission cone)(未示出)内发射。每个移相器136用于根据来自控制器116的相应控制信号140对在相应光路134内传播的光施加相移。利用这种布置，从光源112发射的光被1：n分路器132划分并提供给每条光路134。然后，在从相应的发射器138发射之前，在每条光路134内传播的光进行相应的相移。从发射器138发射的光(由于相长干涉和相消干涉)重组形成以一定角度远离发射器138传播的一个或多个光束(在图1C的图的页面以外)，该角度取决于每个移相器136施加的相移。因此，可以通过控制由每个移相器136施加的相应相移来控制光束(或每个光束)的方向。

图1D示意性示出了具有可调谐激光器的光波导可调谐阵转向装置的示例。在图1D的示例中，转向装置114包括光路134，光路134包括衍射光栅142，衍射光栅142将生成位于角(α)处的反射光束152，上述角(α)取决于光频。在此示例中，激光器112优选地配置为能够根据来自控制器116的适合的控制信号144以所需频率(或波长)发射光的可调谐激光器。可选地，可以由根据来自控制器116的适合的控制信号148操作的移相器146来补充光源112的频率响应。此控制信号148可以利用相位和频率之间的微分关系来计算该控制信号148。利用这种布置，从光源112发射的光被提供给衍射光栅142。从衍射光栅142发射的反射光将形成以一定角度远离衍射光栅142传播的一个或多个光束152(在图1D的图的页面的平面中)，该角度取决于光的频率(或波长)和衍射光栅142的间距之间的关系。因此，可以通过控制入射在发射器142上的光的光频来控制光束(或每个光束)的方向。

在另一可选布置中，可以使用固定频率光源112来生成光束，该光束入射在LCoSSLM 142上。在这种情况下，仅由LCoS SLM 142根据来自控制器116的控制信号150对该光束进行转向。

为了便于说明和描述，在图1C和图1D中示出的示例转向装置114用于在一维中对光束进行转向。可以预期的是，将这些实例进行扩展以实现二维的光束转向也在本领域普通技术人员的知识范围内。

可以操作转向装置114引导光104在视场中追踪特定图案，例如，光栅扫描图案或利萨如图(Lissajous-figure)扫描图案。利用所有扫描图案，引导光104扫描LIDAR视场，以照亮视场内的任何物体并实现点云的探测，可以从点云推断出与照亮的物体有关的信息。

在图1A的示例中，接收机106包括光探测器122、模数转换器(analog-to-digitalconverter，ADC)124、以及数字信号处理器(digital signal processor，DSP)126。可以使用诸如激光器、镜子、滤波器、或放大器的其他光学和电子器件，但为了简化描述，未在图1中示出。光探测器122以传统方式操作以探测反射光108，生成相应的光探测信号128。ADC以预定采样率对光探测信号128进行采样，并将相应的数字样本流130提供给DSP 126。利用这种布置，飞行时间可以由DSP 126以不同方式确定。例如，在一些实施例中，飞行时间可以通过ADC的采样率确定。例如，1GHz的采样率表示1ns的采样周期。这允许通过对由DSP 126在发射机102发射光104的脉冲束与探测到相应的散射光108期间接收的样本进行计数来确定飞行时间(分辨率为1ns)。此外，到反射光108被散射的点(简称为散射点)的距离可以通过认为光1ns内在空气中传播约30cm来估计(分辨率为±15cm)。

本发明提供技术用于控制光源112和转向装置114以(与传统技术相比)增加LIDAR发射机102输出的光脉冲能量，同时维持用户可获得的脉冲能量的安全水平，该用户由距LIDAR单元100的窗110指定距离处的预定孔120(图1A)表示。本发明的优点是在不超过人眼安全规程施加的限制的情况下，LIDAR系统100发射的脉冲能量可以明显大于现有技术系统。

为了本公开的目的，孔120应认为是通过诸如美国国家标准学会(ANSI)标准Z136.1-2014的适用的人眼安全规程定义的。将该孔的大小描述为“参考尺寸(referencedimension)”是方便的。在将孔120定义为距LIDAR窗110定义距离处的圆形平面区域的情况下(如图1A所示)，可以方便地将“参考尺寸”认为是该平面区域的直径。因此，例如，在ANSI标准Z136.1-2014中，孔120是距LIDAR窗110 100mm处的圆形平面区域，并且该圆形平面区域直径为7mm。在这种情况下，参考尺寸为7mm，对应于孔径。为了便于在本公开中进行描述，将使用这种术语。然而，应理解，该孔(以及参考尺寸)可以以其他方式定义。例如，该孔可以被定义为由距给定中心点定义距离的圆所界定的区域。在这种情况下，可以使用极坐标来定义孔的尺寸，并且因此，参考尺寸可以是对向孔的角度。

根据本发明，通过提供如下光学设备可以在不超过人眼安全暴露限制的情况下增加光脉冲能量，该光学设备包括用于发射由一系列脉冲束组成的光的光源、以及光学地耦合至光源的转向装置。该转向装置用于根据预定扫描图案对由光源发射的脉冲束进行转向，使得光源在由转向装置在引导至人眼安全规程定义的孔内的第一脉冲束和由转向装置引导至同一孔内的后续的第二脉冲束之间发射至少一个中间脉冲束。每个中间脉冲束由转向装置引导至孔外。优选地，在被引导至孔内的第一脉冲束和被引导至同一孔内的后续的第二脉冲束之间发射多个中间脉冲束。优选地，被引导至该孔内的第一脉冲束和被引导至同一孔内的第二脉冲束在其间形成非零角。为了本公开的目的，如果该脉冲束的中心(或“瞄准点”)落入孔内，则认为该脉冲束将被引导至孔内。

在一些实施例中，光源112和转向装置114用于输出单个光束。在这种实施例中，选择扫描图案以在任何两个连续脉冲束之间提供至少等于参考尺寸的间距。这确保了被引导至给定孔内的第一脉冲束和被引导至同一孔内的下一脉冲束之间存在至少一个中间脉冲束。

在其他实施例中，光源和转向装置114用于同时输出两个或两个以上的光束。在这种实施例中，转向装置114还用于在任何两个波束之间提供至少等于参考尺寸的间距，并且选择扫描图案来为所有光束在任何两个连续脉冲束之间提供至少等于参考尺寸的间距。

以下参考图2至图4描述示例实施例。

图2示出了其中使用单个光束扫描LIDAR系统100的线性视场200的实施例。在图2的示例中，参考尺寸由对应于孔120的虚线圆202表示。LIDAR发射机102发射的光104被认为在孔120的平面中形成束斑204。束斑204的直径对应于LIDAR系统100的视场200的高度。在所示实施例中，束斑204的半径等于参考尺寸202的1/3。为了扫描整个视场200，控制器116(例如根据存储器中存储的固件)操作以控制转向装置114引导光104沿着视场200长度通过一组12个位置(在图2中标记为r＝1...r＝12)，每个位置从其相邻位置偏移束斑204的半径。利用这种布置，可以使用一系列12个脉冲束来扫描整个视场200，这些脉冲束可以由发射机102在时间T1-T12发射。

根据本发明，控制转向装置114以根据扫描图案将光104引导至该组12个位置中的每个位置，该扫描图案被选择用于在任何两个连续脉冲束之间提供等于或大于参考尺寸的间距。在图2的示例中，扫描图案实现为多次(multi-pass)扫描，其中，使用三次扫描以到达所有12个位置(r＝1...r＝12)。因此，在第一次扫描中，在时间T1、T2、T3、和T4发射的脉冲束分别被引导至位置r＝1、r＝4、r＝7、和r＝10。在第二次扫描中，在时间T5、T6、T7、和T8发射的脉冲束分别被引导至位置r＝2、r＝5、r＝8、和r＝11。最后，在第三次扫描中，在时间T9、T10、T11、和T12发射的脉冲束分别被引导至位置r＝3、r＝6、r＝9、和r＝12。

可以看出，在每次扫描中，连续脉冲束被引导至相距3*r的各个位置，该距离对应于参考尺寸202。此外，在每次扫描中，连续脉冲束(即，脉冲束T4和T5以及脉冲束T8和T9)被引导至相距8*r的各个位置，该距离大于参考尺寸202。

对图2的检查还示出，对于孔120的任何位置，在被引导至任何给定孔120内的第一脉冲束和被引导至同一孔内的后续的第二脉冲束之间存在3个中间脉冲束。例如，图2中所示的圆202表示位于视场200的最左端的孔120。该孔120接收到来自脉冲束T1、T5、和T9的光104，每个脉冲束由被引导至孔外的3个中间脉冲束分离。此外，可以看出，脉冲束T1、T5、和T9中的每个脉冲束的瞄准点彼此以非零角分离。因此，入射在公共孔上的连续脉冲束之间的间隔等于脉冲束周期T的4倍。与传统技术相比，中间脉冲束的存在在不违反人眼安全规程的情况下增加了每个脉冲的允许光能。以下描述的三个示例说明了这个优点。

可以认识到，可能存在其中来自两个连续脉冲束的一些光可以入射在公共孔上的孔位置。例如，图2中所示的圆206表示位于位置r＝8和r＝9中间的孔120。孔120接收来自脉冲束T3、T7、T11、和T4的光104。然而，来自脉冲束T3和T4中的每个脉冲束的少于一半的脉冲束能量落入孔内，使得孔(从脉冲束T3和T4)接收的组合光能小于由发射机102在单个脉冲束中发射的总能量。因此，为了计算人眼安全光功率电平，在r＝7和r＝10处的两个部分脉冲束可以由在定时T3或T4处的单个完整脉冲束代替。

示例1：连续扫描

如上所述，波长为905nm的ANSI类1AEL定义为：在时间间隔(t)5ps<t≤5μs内，AEL＝200nJ；当5μs<t≤10s时，AEL＝(t^0.75*1.8)mJ。为了本示例的目的，我们将考虑5μs间隔的情况，因此AEL为200nJ。对于激光器特性，我们可以考虑用于以500kHz的频率生成脉冲束的激光器112，因此周期T＝2μs。人眼安全规程规定根据最坏情况定义允许的AEL。在此示例中，在任何给定的5μs间隔内，存在2或3个脉冲束，因此在最坏的情况下，3个脉冲束将在5μs间隔内入射在给定孔上。此外，我们将考虑激光器112用于在每个脉冲束中生成总共20个脉冲。这意味着最大允许激光能量为200nJ每间隔/3脉冲束每间隔＝67nJ每脉冲束。对于每脉冲束20个脉冲的情况，每个脉冲的最大允许能量为3nJ。

示例2：图2的实施例

在图2的示例中，扫描图案确保被引导至公共孔的连续(完整)脉冲束之间的间隔等于脉冲束周期T的4倍。对于T＝2μs的情况，间隔为8μs。200nJ每5μs间隔的AEL相当于320nJ每8μs间隔。由于扫描图案确保在此8μs间隔内任何给定孔上不会有一个以上(完整)的脉冲束入射，因此最大安全激光能量为320nJ每脉冲束，或16nJ每脉冲。这表示与使用传统技术所允许的每脉冲能量相比多5.3倍。

更一般地，每个脉冲束的能量可以确定为：

其中，Es是每个脉冲束的能量，AEL是预定时间间隔内入射在定义的孔上的定量的能量，t是预定时间间隔的持续时间，N是中间脉冲束的数量，T是脉冲束周期。在图2的示例中，中间脉冲束的数量N为3，AEL＝200，t＝5μs。使用这种术语，每个脉冲的能量简化为：

其中：Ep是每个脉冲的能量，P是每个脉冲束中的脉冲的数量。

示例3：增加的间隔

为了便于描述和理解，简化了图2的示例。在实际的LIDAR系统中，入射在给定孔上的任何两个脉冲束之间的中间脉冲束的数量可能会更大。例如，考虑宽为120°的视场300的LIDAR系统，每个脉冲束304半径为1°，并且孔302直径为4°。如图3中可见，除了激光束转向通过120个离散位置(r＝1...r＝120)，并且参考尺寸等于光束半径的4倍以外，扫描图案与图2的示例类似。扫描整个视场300需要总共四次扫描，并且任何给定的孔302将从四个单独的脉冲束接收能量。这意味着入射在任何给定孔上的连续脉冲束之间的间隔相当于120个位置/4次扫描＝30倍的脉冲束周期T。对于T＝2μs的情况，入射在任何给定孔上的连续脉冲束之间的间隔是60μs。200nJ每5μs间隔的AEL相当于1200nJ每60μs间隔。由于扫描图案确保在60μs间隔内不会有超过一个脉冲束入射在任何给定的孔上，所以最大安全激光能量为1200nJ每脉冲(假设20个脉冲每脉冲束)。这表示与使用传统技术所允许的每脉冲能量相比多20倍(相当于光信号强度增加13dB)。

可以理解，增加每脉冲能量使LIDAR系统性能相应增加。例如，计算穿过雾的距离是有用的，LIDAR接收机106可以在该距离可靠地探测到从物体反射的光108。为此目的，通常将雾视为经由吸收并以每20米4dB的速率散射的衰减光。由于到达接收机106的光在反射物体之前先从发射机102发射，因此由雾造成的往返损失相当于物体与LIDAR系统100之间每10米间距4dB。此外，根据平方反比律增加LIDAR接收机106和物体之间的距离(d)减小了接收机探测到的反射光108的能量。考虑到这些因素，并假设接收机106处的反射光108的能量必须保持不变以确保准确探测物体，相对于传统系统，发射机发射的每个脉冲的能量增加13dB转换为增加大约25米的探测范围。

在上述示例中，视场是线性的，所以需要一维扫描图案(例如在图2和图3中所示)来覆盖整个视场。应理解，如果需要，可以扩展这些扫描图案以覆盖多边形视场。例如，LIDAR系统通常能够扫描矩形视场，例如，该视场可以横向具有120个光斑并且纵向具有20个光斑，总共2400个光斑。光斑位置可以相距参考尺寸的1/4，在这种情况下，参考孔接收来自4×4＝16个光斑的能量。图4是示出适合于这种二维视场的二维扫描图案的表。在图4的示例中，矩形视场400可以方便地表示为具有20行和120列的表。该表的每个单元格402对应于光104可以由转向装置114被引导至的视场400中的各个位置。光104照亮视场中的每个位置的时间由图4的相应单元格中的数字指示。参考尺寸由表中的圆404示出，并且光被引导至相应孔中的位置示为阴影区域406。

如图4中可见，扫描图案遵循4×4修改光栅扫描。因此，在第1次扫描中，脉冲束被引导至行1列1、5、9、13...117；行5列1、5、9、13...117；行9列1、5、9、13...117；行13列1、5、9、13...117等，直到扫描了行1、5、9、13、17。在第二次扫描中，脉冲束被引导至行1列2、6、10、14...118；行5列2、6、10、14...118；行9列2、6、10、14...118；行13列2、6、10、14...118等，直到扫描了行1、5、9、13、17。第3和第4次扫描重复这种图案，直到扫描了行1、5、9、13、17中所有的列。第5-8次扫描重复第1-4次扫描的图案，但是是针对行2、6、10、14、18。第9-12次扫描重复第5-8次扫描的图案，但是是针对行3、7、11、15、19。最后，针对行4、8、12、16、120，第13-16次扫描重复第9-12次扫描的图案。

在图4的示例中，总共需要16个脉冲束(四个相邻行中每行四个脉冲束)来完全覆盖给定孔，并且被引导至该孔内的两个连续脉冲束(涉及脉冲束1681和脉冲束1802)之间的最小间隔为脉冲束周期T的121倍。对于T＝2μs的情况，入射在任何给定孔上的连续脉冲束之间的最小间隔为121*2μs＝242μs。200nJ每5μs间隔的AEL相当于9680nJ每242μs间隔。这产生了(基于AEL计算)9680nJ每脉冲束或484nJ每脉冲(假设每脉冲束20个脉冲)的最大安全激光能量。然而，这超过了ANSI标准Z136.1-2014或IEC 60825-1定义的单个脉冲的最大允许能量200nJ(AEL＝200nJ，5ps<t≤5μs)。因此，在图4的实施例中的激光能量将被限制为200nJ每脉冲。然而，这仍然表示与使用传统技术所允许的每脉冲能量相比多70倍(相当于18dB)。按照以上计算，可以看出，相对于传统系统，发射机发射的每个脉冲的能量增加18dB转换为增加大约35米的穿过雾的探测范围。

图2至图4的示例描述了扫描图案，其中，光104在每行中转向，使得任何两个连续脉冲束之间的间距等于参考尺寸。在图4的示例中，此图案扩展到二维，使得任何两个连续扫描的行之间的间距也等于参考尺寸。这能够确保发射机102在被引导至给定孔120内第一脉冲束和被引导至同一孔内的下一脉冲束之间发射至少一个中间脉冲束。然而，预期存在许多也可用于确保任何两个连续脉冲束之间的间距等于或大于参考尺寸的可选扫描图案。因此，应理解，本公开中描述的特定扫描图案是说明性的，并非对本发明的限制。

基于前述讨论，可以看出，增加中间脉冲束的数量实现了激光器输出功率的相应增加，高达人眼安全规程施加的单个脉冲限制(例如，当5ps<t≤5μs时，AEL＝200nJ)。超越此值，在不超过人眼安全限制的情况下，无法通过增加中间脉冲束的数量进一步增加激光器输出功率。

参考图2至图4的上述实施例，激光器112和转向装置114用于输出单个光束。如上所述，激光器112和转向装置114可以可选地用于同时输出两个或两个以上的光束。例如，图5示意性示出了示例LIDAR系统500，其中，激光器512发射的光被分为四个光束504A-504D，然后这些光束由转向装置514(在控制器516的控制下操作)引导以扫描视场。接收机506类似地用于探测对应于每个发射光束504A-504D的反射光508A-508D，并计算每个光束的相应飞行时间和距离信息。在这种实施例中，转向装置114还用于在任何两个光束504之间提供至少等于参考尺寸的间距，并且选择扫描图案以为所有光束504A-504D在任何两个连续脉冲束之间提供至少等于参考尺寸的间距。图6示出了示例扫描图案。

在图6的实施例中，矩形视场600被划分为24行，每行120个位置。从激光器512和转向装置514输出的四个光束中的每个光束被引导以使用相同的扫描图案扫描视场500的各个象限602。参考尺寸是束斑半径的4倍，并且扫描图案表示为具有24行120列的表。表的每个单元格604对应于光504可以由转向装置514引导至的视场600中的各个位置。因此，如图6所示，视场600的每个象限602可以由表(在此示例包括12行60列)的相应象限表示。视场中的每个位置由其中一个光束照亮的时间由表的相应单元格604中的数字指示。参考尺寸由图6的表的每个象限602中的椭圆606示出，并且光被引导至相应孔中的位置示为阴影区域608。

如图6中可见，使用与图4的扫描图案非常相似的扫描图案扫描每个象限602(除了该象限被截断为12行60列)。此外，可以看出，四个光束504A-504D彼此相距12行60列，明显大于参考尺寸。因此，图6的实施例能够在任何两个波束之间提供至少等于参考尺寸的间距，并且选择扫描图案以为所有光束在任何两个连续脉冲束之间提供至少等于参考尺寸的间距。在此实施例中，可以通过提供各个不同的接收机(每个接收机与参考图1A的上述接收机类似)并且将每个接收机的视场限制在四个象限中的适当的一个象限，来实现散射的反射光508A-508D的探测。在可选的布置中，接收机502可以用于使用各个不同的波长来发射光束504A-504D中的每个光束，在这种情况下，可以使用光学滤波来分离相应反射光508A-508D。

在图6的示例中，总共需要16个脉冲束(四个相邻行中每行四个脉冲束)来完全覆盖来完全覆盖给定孔，并且被引导至该孔中的任何两个脉冲束(在所示示例中，脉冲束151和脉冲束182)之间的最小间隔为脉冲束周期T的31倍。对于T＝2μs的情况，入射在任何给定孔上的连续脉冲束之间的最小间隔为31*2μs＝62μs。200nJ每5μs间隔的AEL相当于2480nJ每62μs间隔。这产生了(基于AEL计算)2480nJ每脉冲束或124nJ每脉冲(假设每脉冲束20个脉冲)的最大安全激光能量。这仍然表示与使用传统技术所允许的每脉冲能量相比多大约42倍(相当于大约16dB)。

图6的实施例的优点是在720倍脉冲束周期T期间扫描整个视场，这明显快于使用单个光束时所需的2880*T。

在图6的实施例中，存在四个光束504A-504D，这些光束被一致地转向以扫描视场的各个象限602。如果需要，可以使用四个以上或四个以下的光束。类似地，可以彼此独立地对光束进行转向。例如，图7示意性示出了示例LIDAR系统700，其中，激光器712发射的光被分为两个光束，然后由独立的转向装置714A和714B(在控制器716的控制下操作)引导这两个光束扫描视场。在这种情况下，可以以任何所需的方向对光束704A-704B中的每个光束进行转向以扫描其视场中的各个部分。如果需要，由每个光束扫描的视场的各个部分可以如图6的实施例布置在象限或扇区中。然而，也可以使用其他选项。如果需要，由每个光束扫描的视场的各个部分可以覆盖视场的任何适合的部分，并且可以以任何合适的方式交错。关键的限制是，在所有情况下，入射在给定孔上的第一脉冲束(来自任何光束)和入射在同一孔上的下一脉冲束(同样，来自任何光束)之间必须存在至少一个(并且优选地，一个以上)中间脉冲束的间隔。

上述参考图2至图6的示例实施例描述了线性视场和矩形视场以及就特定数量的脉冲束和位置定义的扫描图案。显然，视场可以以任何合适的方式定义，并且可以具有任何需要的形状。类似地，可以以任何合适的方式定义一维和二维扫描图案以覆盖视场。

如果需要，脉冲束密度(即，相邻脉冲束位置之间的间距)在视场内可以是恒定的(如图2至图5的实施例中)或者变化的。例如，在图4和图5的实施例中，使用表示为具有给定行数和列数的表的扫描图案扫描矩形视场。因此，在示出的实施例中，每行具有相同数量的列，并且因此使用相同数量的脉冲束进行扫描。如果需要，可以改变每行中的列数，使得例如靠近视场中心的行具有比靠近视场边缘的行更多的列(并因此使用更多的脉冲束进行扫描)。或者，可以在行内改变脉冲束之间的间距，使得例如被引导至靠近视场中心的脉冲束比被引导至靠近视场边缘的脉冲束的位置更紧密。在所有这些情况下，必须选择扫描图案确保在被引导至给定孔的第一脉冲束和被引导至同一孔的下一脉冲束之间存在至少一个(优选地，一个以上)中间脉冲束。

如果需要，LIDAR系统控制器可以在系统运行期间改变扫描图案。例如，控制器可以存储有定义一组两个或两个以上的不同扫描图案的信息，并选择该组扫描图案中的一个扫描图案作为当前图案。随后，控制器使用定义了选定的当前图案的信息来引导激光器和转向装置根据选定的当前图案扫描视场(或其选定区域)。在稍后的时间(例如，响应于条件改变)，控制器可以选择该组图案中的一个不同的图案作为当前图案。随后，控制器使用定义了新的当前图案的信息来引导激光器和转向装置根据新的当前图案扫描视场(或其选定区域)。

如果需要，LIDAR系统控制器可以在视场的各个不同的区域中实现各个不同的扫描图案。例如，可以比视场的另一区域更频繁地扫描视场的选定区域，从而收集与选定区域中的物体有关的更准确的信息或更及时的信息。例如，在快速移动的车辆中，由于在车辆正前方的物体表示更紧迫的碰撞危险，所以与在车辆正前方的物体有关的信息比与车辆侧面或后面的物体有关的信息更重要。因此，可以设计扫描图案，使得比视场的其他区域更频繁地扫描视场的一个或多个选定区域。图8示出了示例，其中，比视场的其余部分更频繁地扫描视场的中心区域。

在图8的实施例中，矩形视场800被划分为24行，每行120个位置。该视场800被进一步细分为一对区域，包括由行1-8(区域1A)和行17-24(区域1B)组成的第一区域(在该示例中，第一区域不连续)，以及由行9-16(区域2)组成的第二区域。可以使用由图7的LIDAR系统700发射的光束704-704B中的一个相应光束扫描这些区域中的每个区域。可以使用与图4的扫描图案非常相似的扫描图案扫描区域1(除了区域1被截断为16行120列)，并且因此以相当于脉冲束周期T的1920倍的周期进行扫描。可以使用与图4的扫描图案同样非常相似的扫描图案扫描区域2(除了区域2被截断为8行120列)，并且因此以相当于脉冲束周期T的960倍的周期进行扫描。利用这种布置，将以区域1频率的两倍扫描区域2，因此以区域1速率的两倍更新区域2内物体的信息。

如果需要，可以静态地定义其中扫描频率增加的选定区域，因此在LIDAR系统运行期间不会改变。或者，例如可以根据在LIDAR系统的处理器中执行的软件动态地定义扫描频率增加的选定区域。在这种情况下，LIDAR系统例如可以响应于条件(例如，LIDAR系统所安装的车辆的速度)改变，或者探测到视场中的其他物体(例如，LIDAR系统所安装的车辆周围的其他车辆)，在运行期间改变视场的选定区域中的扫描频率。

可以将本发明的实施例作为硬件和软件的任何适合的结合来提供。例如，本发明可以实现为用于实现根据本发明的技术的LIDAR系统，或者实现为存储在非暂时性机器可读存储介质上并且包括用于控制LIDAR系统的处理器以实现根据本发明的技术的软件指令的软件(或等效地，固件)，或者实现为存储有包括用于控制LIDAR系统的处理器以实现根据本发明的技术的软件指令的软件(或等效地，固件)的非暂时性机器可读存储介质。例如，在图1所示类型的LIDAR系统中，本发明的特定实施例可以采用存储在控制器116的内存(未示出)中并且包括用于控制控制器116以实现根据本发明的技术的软件指令的软件(或等效地，固件)的形式。

虽然已参考本发明的具体特征及其实施例描述了本发明，但显然可以在不脱离本发明的情况下对其进行各种修改和组合。因此，说明书和附图应仅视为由所附权利要求限定的本发明的说明，并且预期涵盖落入本发明范围内的任何和所有修改、更变、组合、或等同物。

Claims

1.一种光学设备，包括：

光源，用于发射由一系列脉冲束组成的光；以及

转向装置，光学地耦合至所述光源，并且用于根据预定扫描图案对所述光源发射的所述脉冲束进行转向，使得所述光源在由所述转向装置引导至人眼安全规程定义的孔内的第一脉冲束和由所述转向装置引导至同一孔内的后续的第二脉冲束之间发射至少一个中间脉冲束，每个中间脉冲束由所述转向装置引导至所述孔外。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一脉冲束和所述第二脉冲束在其间形成非零角。

3.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述预定扫描图案是二维的。

4.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述人眼安全规程包括美国国家标准学会标准Z136.1-2014、国际电工委员会标准60825-1、及其继承物中的任何一个或多个。

5.根据权利要求1所述的光学设备，其中，每个脉冲束的能量基于可达发射极限确定，所述可达发射极限由所述人眼安全规程定义为预定时间间隔内入射在所述孔上的定量的能量，并且其中，所述每个脉冲束的能量为：

其中，Es是所述每个脉冲束的能量，AEL是所述预定时间间隔内入射在所述孔上的所述定量的能量，t是所述预定时间间隔的持续时间，N是所述中间脉冲束的数量，T是脉冲束周期。

6.根据权利要求5所述的光学设备，其中，每个脉冲束包括多个脉冲。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学设备，其中，所述光由所述光学设备在单个光束中发射，并且其中，所述转向装置还用于根据所述预定扫描图案对所述单个光束的所述脉冲束进行转向，使得任何两个连续脉冲束之间的间距等于或大于对应于所述孔的参考尺寸。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的光学设备，其中，所述光由所述光学设备在两个或两个以上的光束中发射，并且其中，所述转向装置还用于根据所述预定扫描图案对所述两个或两个以上的光束的脉冲束进行转向，使得所述光束中的任何两个光束的脉冲束之间的间距至少等于对应于所述孔的参考尺寸，并且对于所有的所述光束，任何两个连续脉冲束之间的间距至少等于所述参考尺寸。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学设备，还包括控制器，所述控制器可操作地连接至所述转向装置，并且用于使得所述转向装置根据所述预定扫描图案对所述光源发射的所述脉冲束进行转向。

10.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述转向装置包括：

分光器，用于将来自所述光源的光提供给多条光路；

光学地耦合至每条光路的相位延迟元件；以及

光学地耦合至每个相位延迟元件的发射器。

11.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述转向装置包括衍射光栅。

12.根据权利要求10或11所述的光学设备，其中，所述光源包括可调谐激光器。

13.根据权利要求10所述的光学设备，其中，每个相位延迟元件都可调谐。

14.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述转向装置包括空间光调制器。

15.根据权利要求8所述的光学设备，其中，所述两个或两个以上的光束包括第一光束和第二光束，并且其中，所述转向装置用于独立于所述第二光束对所述第一光束进行转向。

16.根据权利要求15所述的光学设备，其中，所述转向装置还用于根据第一扫描图案对所述第一光束进行转向以扫描所述光学设备的视场的第一区域，并且根据第二扫描图案对所述第二光束进行转向以扫描所述光学设备的所述视场的第二区域。

17.根据权利要求16所述的光学设备，其中，所述第一区域是不连续的。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的光学设备，还包括：

光探测器，用于探测来自外部物体的散射光，并且根据所述散射光生成光探测信号；以及

处理单元，用于处理所述光探测信号以推断与所述外部物体有关的信息。

19.一种控制光学设备的方法，所述光学设备包括用于发射包括一系列脉冲束的光的光源，以及光学地耦合至所述光源的转向装置，所述方法包括控制所述转向装置根据预定扫描图案对所述光源发射的所述脉冲束进行转向，使得所述光源在由所述转向装置引导至人眼安全规程定义的孔内的第一脉冲束和由所述转向装置引导至同一孔内的后续的第二脉冲束之间发射至少一个中间脉冲束，每个中间脉冲束由所述转向装置引导至所述孔外。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一脉冲束和所述第二脉冲束在其间形成非零角。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述预定扫描图案是二维的。

22.根据权利要求19所述的方法，其中，每个脉冲束的能量基于可达发射极限确定，所述可达发射极限由所述人眼安全规程定义为预定时间间隔内入射在所述孔上的定量的能量，并且其中，所述每个脉冲束的能量为：

23.根据权利要求22所述的方法，其中，每个脉冲束包括多个脉冲，并且其中，每个脉冲的能量为：

其中：Ep是所述每个脉冲的能量，P是每个脉冲束中的脉冲的数量；并且

其中，当Ep超过由所述人眼安全规程定义的单个脉冲的人眼安全极限时，将所述每个脉冲的能量设置为等于由所述人眼安全规程定义的所述单个脉冲的人眼安全极限。

24.根据权利要求19至23所述的方法，其中，所述光由所述光学设备在两个或两个以上的光束中发射，并且其中，还控制所述转向装置根据所述预定扫描图案对所述两个或两个以上的光束的脉冲束进行转向，使得所述光束中的任何两个光束的脉冲束之间的间距至少等于对应于所述孔的参考尺寸，并且对于所有的所述光束，任何两个连续脉冲束之间的间距至少等于所述参考尺寸。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述两个或两个以上的光束包括第一光束和第二光束，并且其中，控制所述转向装置独立于所述第二光束对所述第一光束进行转向。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，还控制所述转向装置根据第一扫描图案对所述第一光束进行转向以扫描所述光学设备的视场的第一区域，并且根据第二扫描图案对所述第二光束进行转向以扫描所述光学设备的所述视场的第二区域。